Übersehener Effekt: Halbleiterindustrie setzt auf falsche Materialien

Die jahrzehntelange Erfolgsgeschichte der Miniaturisierung steuert mit ultradünnen 2D-Materialien auf die nächste Chip-Revolution zu. Forschungsergebnisse der TU Wien dämpfen nun die Erwartungen an viele Hoffnungsträger. Es zeigt sich, dass die isolierte Betrachtung der Materialeigenschaften nicht ausreicht, da entscheidende Grenzflächeneffekte bisher unterschätzt wurden. Bei der Kombination von 2D-Schichten mit Isolatoren entsteht ein extrem dünner Spalt, der die elektronische Performance drastisch verschlechtert. Der neue Forschungsansatz erlaubt es jedoch, gezielt jene Materialien zu identifizieren, die dieses Problem umgehen. Diese Erkenntnisse bieten der Halbleiterindustrie eine essenzielle Orientierungshilfe, um Milliardeninvestitionen in physikalisch zum Scheitern verurteilte Technologien zu vermeiden und stattdessen auf valide Lösungen zu setzen.

Es ist nicht nur das Material, es ist die Grenzfläche

Trotz der beeindruckenden Eigenschaften neuartiger 2D-Materialien wie Graphen oder Molybdändisulfid bleibt die Integration in funktionierende Bauteile komplex. „Seit vielen Jahren ist man völlig zu Recht fasziniert von den interessanten elektronischen Eigenschaften neuartiger 2D-Materialien wie Graphen oder Molybdändisulfid“, sagt Prof. Mahdi Pourfath, der gemeinsam mit Prof. Tibor Grasser an der TU Wien forscht. „Was dabei aber oft übersehen wird: Ein 2D-Material allein ergibt noch kein elektronisches Bauteil. Wir brauchen zusätzlich noch eine Isolatorschicht, normalerweise ein Oxid. Und hier wird die Sache materialwissenschaftlich komplizierter.“ Das Grundprinzip moderner Transistoren beruht auf der Modulierung der Leitfähigkeit eines Halbleiters. Dabei muss das aktive Material, etwa eine ultradünne 2D-Schicht, durch eine Isolationsschicht von der Steuerelektrode, dem Gate, getrennt werden, um den Wechsel zwischen leitendem und nicht-leitendem Zustand zu ermöglichen.
Die fortschreitende Miniaturisierung in der Elektronik setzt große Hoffnungen auf ultradünne 2D-Materialien, doch eine Studie der TU Wien zeigt nun physikalische Grenzen auf. Viele dieser Materialien büßen ihre vorteilhaften Eigenschaften ein, sobald sie mit Isolatorschichten kombiniert werden, da ein winziger Spalt an der Grenzfläche den Stromfluss stört. Dieser neue Forschungsansatz erlaubt es jedoch, gezielt jene Materialkombinationen zu identifizieren, die dieses Problem umgehen. Damit bietet die Untersuchung der Halbleiterindustrie eine fundierte Grundlage, um Milliardeninvestitionen in ungeeignete Technologien zu verhindern und den Fokus auf physikalisch realisierbare Innovationen zu lenken.

Halt, da ist ein Spalt!

Für eine präzise Kontrolle elektrischer Felder in 2D-Materialien sind hauchdünne Isolierschichten essenziell, um Bauteile maximal zu komprimieren. Analysen auf atomarer Ebene offenbaren jedoch eine bisher unterschätzte Hürde. „Bei vielen Kombinationen von 2D-Materialien und Isolatorschicht zeigt sich: Die Bindung zwischen ihnen ist nicht besonders stark“, erklärt Grasser. „Sie sind nur durch Van-der-Waals-Kräfte aneinander gebunden, die nur eine recht schwache Anziehung zwischen Halbleiter und Isolator bewirken. Das bedeutet, dass sich die beiden Schichten nicht fest aneinander binden, zwischen ihnen bleibt ein Spalt.“ Obwohl dieser Spalt mit lediglich 0,14 Nanometern verschwindend gering ist, sind die elektronischen Konsequenzen massiv. „Dieser Spalt verschlechtert die kapazitive Kopplung zwischen den beiden Schichten. Ganz egal, wie gut die Eigenschaften der beiden Materialien auch sein mögen, der Spalt ist der limitierende Faktor. Solange er da ist, sind der Miniaturisierung der Bauteile ganz prinzipiell Grenzen gesetzt.“

Der Ausweg: Reißverschluss-Materialien

Für den Erfolg der Halbleiterindustrie mit 2D-Materialien ist ein ganzheitlicher Ansatz entscheidend. „Wenn die Halbleiterindustrie mit 2D-Materialien Erfolg haben soll, dann muss man aktive Schicht und Isolatorschicht von Anfang an zusammen denken“, betont Mahdi Pourfath. Als Lösung bieten sich sogenannte „Reißverschluss-Materialien“ an, bei denen Halbleiter und Isolator ineinandergreifen und eine enge Bindung eingehen, die den störenden Abstand eliminiert. „Unsere Arbeit ist eine gute Nachricht für die Halbleiterindustrie“, sagt Tibor Grasser. „Wir können vorhersagen, welche Materialien für künftige Miniaturisierungs-Schritte geeignet sind und welche nicht. Aber wenn man sich nur auf die 2D-Materialien konzentriert, ohne die unvermeidlichen Isolatoren von Anfang an mitzuplanen, dann kann es passieren, dass man viele Milliarden auf ein Pferd setzt, das keine Beine hat – und aus ganz fundamentalen Gründen nicht gewinnen kann.“

Quelle

Technische Universität Wien (04/2026)